物聯(lián)網(wǎng)(IoT)應(yīng)用-無論是用于城市基礎(chǔ)設(shè)施，或者應(yīng)用于工廠還是可穿戴設(shè)備的應(yīng)用-都使用大量傳感器收集數(shù)據(jù)，并通過Internet傳輸?shù)交谠??；谠朴?jì)算機(jī)上運(yùn)行的分析軟件處理這些數(shù)據(jù)，生成對(duì)用戶有意義的信息，并向現(xiàn)場的執(zhí)行器發(fā)出命令。

傳感器是物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵組成部分，傳感器不是簡單的將物理變量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，而是發(fā)展成為更復(fù)雜的產(chǎn)品，以在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中發(fā)揮技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上可行的作用。

本文介紹了IoT應(yīng)用對(duì)傳感器的要求-必須采取什么措施才能實(shí)現(xiàn)IoT的大型傳感器陣列的特性。然后，介紹了制造商如何通過改進(jìn)制造，更多集成和內(nèi)置智能來做出響應(yīng)，最終介紹了廣泛使用的智能傳感器的概念。

顯而易見，傳感器智能不僅能促發(fā)物聯(lián)網(wǎng)更多的連，還提供預(yù)測性維護(hù)，更靈活的制造和更高的生產(chǎn)率相關(guān)等好處。

物聯(lián)網(wǎng)對(duì)傳感器的要求

傳統(tǒng)上，傳感器是功能簡單的設(shè)備，可將物理變量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)或電特性的變化。盡管此功能是必不可少的起點(diǎn)，但傳感器需要增加以下屬性以用于IoT組件：

成本低，可以經(jīng)濟(jì)地大量部署體積小巧，可以方便的安裝在任何環(huán)境中無線，更方便的連接自我識(shí)別和自我驗(yàn)證極低的功率，無需更換電池即可存活數(shù)年，或通過能量收集進(jìn)行管理堅(jiān)固耐用，可減少或消除維護(hù)自我診斷和自我修復(fù)自校準(zhǔn)，或通過無線鏈接接受校準(zhǔn)命令數(shù)據(jù)預(yù)處理，以減少網(wǎng)關(guān)，PLC和云資源上的負(fù)載

多個(gè)傳感器的信息可以組合使用，通過組合信息獲得更有價(jià)值的信息;例如，溫度傳感器和振動(dòng)傳感器數(shù)據(jù)可用于檢測機(jī)械故障的發(fā)生。在某些情況下，兩個(gè)傳感器功能可在一臺(tái)設(shè)備中使用。在其他情況下，功能通過軟件組合在一起以創(chuàng)建“軟”傳感器。

制造商：智能傳感器解決方案

本節(jié)從構(gòu)建模塊和制造的角度分析為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)的智能傳感器，然后回顧了傳感器內(nèi)置智能帶來的一些優(yōu)勢，尤其是自我診斷的可能性和維修。

智能傳感器中有什么功能?

我們已經(jīng)介紹了物聯(lián)網(wǎng)對(duì)智能傳感器的要求，但是業(yè)界對(duì)此有何反應(yīng)?現(xiàn)代智能傳感器內(nèi)置了什么功能?

智能傳感器是作為IoT組件構(gòu)建的，可以將它們正在測量的真實(shí)世界變量轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流，以傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)。如圖顯示了他們?nèi)绾巫龅竭@一點(diǎn)。應(yīng)用算法由內(nèi)置微處理器單元(MPU)執(zhí)行。它們可以運(yùn)行濾波，補(bǔ)償和任何其他特定于過程的信號(hào)調(diào)理任務(wù)。

智能傳感器構(gòu)建塊

微處理器單元(MPU)的智能功能還可用于許多其他功能，以減輕IoT的更多中央資源的負(fù)擔(dān)。例如，可以將校準(zhǔn)數(shù)據(jù)發(fā)送到MPU，以便針對(duì)任何生產(chǎn)變化自動(dòng)設(shè)置傳感器。MPU還可以發(fā)現(xiàn)任何開始超出可接受標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)參數(shù)，并相應(yīng)地產(chǎn)生警告。然后，操作員可以在災(zāi)難性故障發(fā)生之前采取預(yù)防措施。

如果合適，傳感器可以在“例外報(bào)告”模式下工作，在該模式下，僅當(dāng)測得的變量值與先前的樣本值有顯著變化時(shí)，傳感器才傳輸數(shù)據(jù)。這既減輕了中央計(jì)算資源的負(fù)擔(dān)，又降低了智能傳感器的電源需求-通常是一項(xiàng)關(guān)鍵優(yōu)勢，因?yàn)閭鞲衅鞅仨氃跊]有連接電源的情況下依靠電池或能量收集。

如果智能傳感器的探頭中包含兩個(gè)元素，則可以內(nèi)置傳感器自診斷功能?？梢粤⒓礄z測到其中一個(gè)傳感器元素輸出中出現(xiàn)的漂移。此外，如果傳感器完全失效(例如由于短路)，則可以使用第二個(gè)測量元件繼續(xù)該過程?；蛘?，探針可以包含兩個(gè)傳感器，這些傳感器可以一起工作以改善監(jiān)視反饋。

智能傳感器：一個(gè)實(shí)際示例

德州儀器(TI)開發(fā)的應(yīng)用程序提供了一個(gè)智能傳感器的實(shí)際示例，以及構(gòu)建塊協(xié)同工作以從模擬電流和溫度測量中生成有用的信息，并為其他功能提供智能。該應(yīng)用程序使用超低功耗MSP430 MCU系列的變體來構(gòu)建用于配電網(wǎng)絡(luò)的智能故障指示器。

安裝后，故障指示器將通過提供有關(guān)網(wǎng)絡(luò)故障部分的信息來降低運(yùn)營成本和服務(wù)中斷。同時(shí)，該設(shè)備可通過減少對(duì)危險(xiǎn)故障診斷程序的需求來提高安全性并減少設(shè)備損壞。為了保證故障指示器的位置靈活性，主要由電池供電，因此也非常需要低功率運(yùn)行。

故障指示器(安裝在架空電力線網(wǎng)絡(luò)的交界處)將有關(guān)輸電線路中溫度和電流的測量數(shù)據(jù)無線發(fā)送到安裝在電線桿上的集中器/終端單元。集中器使用GSM調(diào)制解調(diào)器將數(shù)據(jù)傳遞到蜂窩網(wǎng)絡(luò)，以將實(shí)時(shí)信息中繼到主站。主站還可以通過同一數(shù)據(jù)路徑控制并在故障指示器上運(yùn)行診斷。

與主站的持續(xù)連接具有多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。首先是能夠遠(yuǎn)程監(jiān)視故障情況，而不是在現(xiàn)場進(jìn)行搜索。智能故障指示器還可以不斷監(jiān)視溫度和電流，以便主站的控制器具有有關(guān)配電網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息。電力運(yùn)營商可以快速識(shí)別故障位置，最大程度地減少停電時(shí)間，甚至在發(fā)生故障之前采取措施。主站的工作人員可以按要求的時(shí)間間隔對(duì)故障指示器進(jìn)行診斷，以檢查其是否正常工作。

圖2.基于MSP430 FRAM MCU的智能故障指示器的功能框圖

上圖是基于TI MSP430鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(FRAM)微控制器(MCU)組成的智能故障指示器的功能框圖。電流傳感器產(chǎn)生與電力線電流成比例的模擬電壓。運(yùn)算放大器(運(yùn)放)放大并過濾該電壓信號(hào)。MCU上的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)對(duì)運(yùn)算放大器的輸出進(jìn)行采樣。來自ADC的數(shù)字流然后由運(yùn)行在CPU或加速器上的軟件進(jìn)行分析。運(yùn)算放大器輸出還連接到MCU上的比較器。如果輸入電平超出預(yù)定閾值，則比較器將向MCU中的中央處理單元(CPU)生成標(biāo)志。

MSP430的計(jì)算能力允許進(jìn)行頻域電流測量分析，比以前的時(shí)域方法更深入地了解電源線狀態(tài)。快速的FRAM讀寫速度支持模式分析的數(shù)據(jù)積累，而MCU的超低功耗工作模式則可以延長電池壽命。

制造

為了發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)的全部價(jià)值，傳感器制造方法必須繼續(xù)減少傳感器組件和系統(tǒng)的尺寸，重量，功耗和成本(SWaP-C)。傳感器包裝也需要采用同樣的趨勢，傳感器包裝目前占總成本和外形尺寸的80%。

當(dāng)微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)傳感器元件與CMOS集成電路(IC)緊密集成時(shí)，就會(huì)形成智能傳感器。這些IC提供器件偏置，信號(hào)放大和其他信號(hào)處理功能。最初，所使用的晶圓級(jí)真空封裝(WLVP)技術(shù)僅包括離散傳感器設(shè)備，而智能傳感器是通過將離散MEMS芯片通過封裝或板基板通過IC芯片連接到IC芯片而實(shí)現(xiàn)的，這種方法稱為多芯片集成。一種改進(jìn)的方法是在稱為片上系統(tǒng)(SoC)的結(jié)構(gòu)中，直接互連CMOS IC和傳感器元件，而無需使用封裝或板上的布線層。與分立式多芯片封裝方法相比，SoC通常更復(fù)雜，但可減小占位面積，

智能傳感器智能的其他優(yōu)勢

智能光電傳感器可以檢測物體結(jié)構(gòu)中的圖案及其變化。這自動(dòng)發(fā)生在傳感器中，而不發(fā)生在任何外部計(jì)算元件中。這增加了處理吞吐量，并減少了中央處理器(或本地PLC)的處理負(fù)荷。

制造靈活性得到了提高-在當(dāng)今競爭激烈的環(huán)境中，這是至關(guān)重要的優(yōu)勢。每次需要更換產(chǎn)品時(shí)，都可以使用合適的參數(shù)對(duì)智能傳感器進(jìn)行遠(yuǎn)程編程。甚至可以按批量生產(chǎn)價(jià)格為單個(gè)單位批量設(shè)置生產(chǎn)，檢驗(yàn)，包裝和發(fā)貨，因此每個(gè)消費(fèi)者都可以收到個(gè)性化的一次性產(chǎn)品。

線性位置傳感器的反饋傳統(tǒng)上一直受到與系統(tǒng)噪聲，信號(hào)衰減和響應(yīng)動(dòng)態(tài)有關(guān)的問題的困擾。每個(gè)傳感器都需要調(diào)整以克服這些問題。霍尼韋爾提供其SPS-L075-HALS智能位置傳感器的解決方案。這些可以通過使用ASIC和MR(磁阻)傳感器陣列的專利組合進(jìn)行自校準(zhǔn)。這樣可以準(zhǔn)確可靠地確定附著在移動(dòng)物體(例如電梯，閥門或機(jī)械)上的磁鐵的位置。

MR陣列測量沿磁體行進(jìn)方向安裝的MR傳感器的輸出。輸出和MR傳感器序列確定最接近磁體位置中心的一對(duì)傳感器。然后，使用該對(duì)輸出確定它們之間的磁體位置。這種非接觸式技術(shù)可以提供更長的使用壽命和耐用性，并減少停機(jī)時(shí)間。自我診斷功能可以進(jìn)一步減少停機(jī)時(shí)間。

這些傳感器還會(huì)滿足其他IoT智能傳感器要求。它們的小尺寸允許在空間有限的地方進(jìn)行安裝，而IP67和IP69K密封選項(xiàng)允許在惡劣的環(huán)境中進(jìn)行部署。它們足夠聰明，可以替換幾個(gè)傳感器和開關(guān)組件，以及以前也需要的額外接線，外部組件和連接。該傳感器用于航空航天，醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用。

具有自我診斷和維修功能的智能傳感器

智能傳感器還可以非常適合對(duì)安全至關(guān)重要的應(yīng)用，例如檢測有害氣體，火災(zāi)或入侵者。在這些環(huán)境中的條件可能很惡劣，傳感器可能難以檢修或更換電池，但是高可靠性至關(guān)重要。南布列塔尼大學(xué)Lab-STICC研究中心的一個(gè)團(tuán)隊(duì)正在開發(fā)一種解決方案，該解決方案通過使用可自我診斷和自我修復(fù)的雙探頭和硬件來提高可靠性。

他們項(xiàng)目的最終目標(biāo)是將描述的所有元素集成到單個(gè)離散設(shè)備中，適用于諸如港口或倉庫等區(qū)域的有害氣體檢測等應(yīng)用。該項(xiàng)目的重點(diǎn)是可以查明內(nèi)部故障并采取糾正措施以提高可靠性和能效的節(jié)點(diǎn)。這樣可以減少節(jié)點(diǎn)的漏洞并降低維護(hù)成本。該設(shè)計(jì)認(rèn)識(shí)到此類傳感器的局限性：電池自主性受限，能量收集受制于不可靠的能源行為，有限的處理和存儲(chǔ)資源以及對(duì)無線通信的需求。

無線傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件配置

該節(jié)點(diǎn)配備了兩個(gè)傳感器。在正常操作期間，第一個(gè)捕獲環(huán)境數(shù)據(jù)，而第二個(gè)僅由用戶激活以驗(yàn)證所獲取的數(shù)據(jù)。如果第一個(gè)傳感器發(fā)生故障，則節(jié)點(diǎn)的可靠性會(huì)降低，而電池電量會(huì)浪費(fèi)在為無法正常工作的傳感器供電上。但是，如果節(jié)點(diǎn)斷開第一個(gè)傳感器的連接并切換到第二個(gè)傳感器，則不會(huì)浪費(fèi)能量，并且可以保持節(jié)點(diǎn)的可靠性。

因此，該項(xiàng)目的目標(biāo)是基于功能和物理測試開發(fā)一種新穎的自診斷功能，以檢測無線傳感器節(jié)點(diǎn)任何組件中的硬件故障。該方法可以準(zhǔn)確地標(biāo)識(shí)出哪個(gè)節(jié)點(diǎn)組件發(fā)生故障，并指示適當(dāng)?shù)难a(bǔ)救措施。

圖3顯示了可自我重新配置的傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件配置。它的組件包括處理器，RAM / FLASH存儲(chǔ)器，用于與環(huán)境連接的執(zhí)行器和傳感器接口(IAS)，用于發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的無線電收發(fā)器模塊(RTM)以及帶有電源開關(guān)的電池(DC-DC)轉(zhuǎn)換器)。該節(jié)點(diǎn)還包括與FPGA可配置區(qū)域結(jié)合的電源和可用性管理器(PAM)。第一個(gè)被認(rèn)為是最佳利用能量，自動(dòng)診斷和容錯(cuò)的智能部分，而另一個(gè)則增強(qiáng)了傳感器節(jié)點(diǎn)的可用性。

自診斷傳感器節(jié)點(diǎn)的問題和糾正措施

圖中的表顯示了傳感器節(jié)點(diǎn)如何響應(yīng)各種節(jié)點(diǎn)問題。該FPGA包含一個(gè)軟核8051 CPU，該軟核在需要提高性能時(shí)會(huì)激活，或者在出現(xiàn)故障時(shí)更換主處理器。FPGA是Actel IGL00V2型，因其可靠性和低功耗而被選擇。該節(jié)點(diǎn)的其余部分包括PIC處理器，RAM存儲(chǔ)器，Miwi無線電收發(fā)器模塊，兩個(gè)Oldham OLCT 80氣體檢測器，LM3100和MAX618電源開關(guān)以及一個(gè)電池。

結(jié)論

在本文中，我們看到了芯片制造商和研究人員如何響應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)對(duì)智能傳感器的需求。這在一定程度上是向基本換能器功能添加智能和通信功能的問題，但同時(shí)也涉及改進(jìn)的制造。通過將MEMS傳感器元件和CMOS計(jì)算組件集成到單個(gè)基板上，智能傳感器可以以小型，低成本的封裝實(shí)現(xiàn)，該封裝可以嵌入到空間受限的應(yīng)用中，并具有適應(yīng)環(huán)境的能力。

因此，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)人員可以提供所需的傳感器-體積小，價(jià)格便宜，具有彈性和低功耗，足以無處不在地部署，同時(shí)具有智能功能，可以傳遞有用的信息和原始數(shù)據(jù)。它們還可以接受進(jìn)來的命令進(jìn)行重新校準(zhǔn)以適應(yīng)生產(chǎn)變化，因此還可以實(shí)現(xiàn)更靈活，更精細(xì)的自動(dòng)化。